據悉，歐洲核子研究中心的大型強子對撞機（LHC）項目將會(huì )在2022年恢復一項能夠更精確地檢測圍觀(guān)粒子路徑的實(shí)驗，這一切這要歸功于金屬3D打印管提供的高效冷卻。

宇宙起源的大爆炸理論認為，在這一事件之后，應該立即生成等量的物質(zhì)和反物質(zhì)。然而，可觀(guān)察到的宇宙似乎幾乎完全由物質(zhì)組成，而科學(xué)家們只成功地用粒子加速器生產(chǎn)了少量的反物質(zhì)。兩者之間是否存在不平衡，如果是的話(huà)，為什么？在大爆炸后的那幾分之一秒里到底發(fā)(fā)生了什么？

荷蘭國家亞原子物理研究所（Nikhef）試圖通過(guò)參與LHCb實(shí)驗來(lái)幫助回答這些問(wèn)題。作為歐洲核子研究中心大型強子對撞機（LHC，位于瑞士日內瓦）項目的一部分，這項實(shí)驗通過(guò)捕捉普通b夸克和其反b夸克的必然結果來(lái)測量b夸克的衰變，因為它們是通過(guò)粒子加速器內的碰撞產(chǎn)生的。大型強子對撞機目前正在關(guān)閉維修，但當它明年重新開(kāi)放時(shí)，大型強子對撞機b探測器將配備一個(gè)升級的跟蹤器，能夠更好地捕捉這些粒子；其改進(jìn)的性能將至少部分歸功于通過(guò)金屬3D打印為該儀器提供的新的冷卻解決方案。

通過(guò)更有效的冷卻實(shí)現(xiàn)更好的分辨率

LHCb是附屬于LHC的七個(gè)探測器之一，它由10個(gè)左右不同的子探測器組成，可以捕捉到關(guān)于粒子碰撞的各種信息。正如Nikhef網(wǎng)站所解釋的那樣：在某種程度上，探測器是顯微鏡，研究人員想要看到的細節(jié)越小，顯微鏡及其鏡頭就需要越大。困難在于，更大和更敏感的儀器運行時(shí)溫度更高，而熱量會(huì )引入干擾觀(guān)察的 "噪音"。捕捉清晰的圖像需要這些儀器保持低溫。

△SciFi追蹤器，LHCb實(shí)驗中的SciFi（"閃爍光纖"）跟蹤器使用的是光纖，當粒子與之發(fā)(fā)生相互作用時(shí)，光纖會(huì )發(fā)(fā)出光。由3D系統(tǒng)公司制造的棒子將冷卻硅光電倍增器（SiPMs），將這種光轉換為電信號。圖片來(lái)源：CERN

這是Nikhef的閃爍纖維（SciFi）追蹤器項目的領(lǐng)導者Antonio Pellegrino所面臨的挑戰(zhàn)。

追蹤器項目的負責人Pellegrino說(shuō)：“這是一個(gè)用于LHCb的新追蹤裝置，將揭示粒子在加速器中的路徑。為了看到這些光子，你必須使用一個(gè)非常大的放大，但它也會(huì )放大任何背景。解決這個(gè)問(wèn)題的方法是通過(guò)冷卻相機。如果它足夠冷，背景噪音就會(huì )大大減少，我們就能看到我們想要的東西。"

LHCb實(shí)驗中必須保持冷卻的具體部分是光子檢測器條，它沿著(zhù)大型強子對撞機的一部分運行約140米。"Pellegrino解釋說(shuō)："這條帶子上的光子檢測器芯片與你的相機手機中的芯片非常相似，只是更加敏感。如果保持足夠的溫度--大約40°C--該設備能夠檢測出表現(xiàn)為非常微弱的光的單個(gè)粒子。

Pellegrino在Nikhef的團隊在3年多前就開(kāi)始為光子探測器條的冷卻提供解決方案工作。這些冷卻條需要適合非常有限的空間，并沿探測器條的長(cháng)度方向保持其平整度。薄壁是可取的，以盡量減少表面和氟化碳冷卻劑之間的材料數量，但這些棒也需要承受至少7bar的壓力而不泄漏。除了這些功能要求外，由政府資助的Nikhef還需要找到一個(gè)經(jīng)濟的解決方案，并能長(cháng)期耐用。

該組織開(kāi)發(fā)(fā)了一個(gè)它認為可行的冷卻解決方案，但該設計在常規(guī)生產(chǎn)中過(guò)于昂貴和復雜。Pellegrino團隊的首席工程師Rob Walet已經(jīng)對聚合物3D打印有了一定的了解，在調查了一些金屬3D打印選項后，決定與3D Systems的應用創(chuàng )(chuàng)新小組合作，該小組在比利時(shí)有一個(gè)客戶(hù)創(chuàng )(chuàng)新中心。

規(guī)格決定了材料的選擇

3D Systems公司對其3D打印冷卻棒的能力很有信心，但要把設計從"功能性"變成"可3D打印"，還需要一些開(kāi)發(fā)(fā)。Nikhef和3D Systems合作，通過(guò)有限元分析、物理原型和測試來(lái)完善設計。每根管子包含三個(gè)平行運行的通道，多個(gè)通道創(chuàng )(chuàng)造了更多的表面積和更大的湍流，以實(shí)現(xiàn)更好的冷卻。這些管子還被設計成可以隨著(zhù)材料的膨脹和收縮而彎曲；利用金屬3D打印技術(shù)，基本上可以在每個(gè)部件中建立一個(gè)"彈簧"，而無(wú)需任何額外的工作或組裝。

△3D打印冷卻棒，最終的冷卻棒設計具有 "彈簧 "和支持結構，只限于兩個(gè)區(qū)域。在3D Systems公司的DMP 350 Flex中，可以一次3D打印多個(gè)棒。圖片來(lái)源：3D Systems

Nikhef和3D Systems公司知道，最終的棒材將用金屬生產(chǎn)，但選擇合適的材料最終取決于設計要求。在對不銹鋼的幾何形狀進(jìn)行原型設計后，3D Systems公司發(fā)(fā)現(xiàn)，以當時(shí)的打印參數，不可能在保證無(wú)泄漏操作的同時(shí)實(shí)現(xiàn)所需的薄壁。合作者沒(méi)有滿(mǎn)足于更厚的壁和降低冷卻能力，而是將材料改為LaserForm TiGr32 (A)，這是3D Systems為牙科、醫(yī)療和技術(shù)應用開(kāi)發(fā)(fā)的一種鈦合金。

3D Systems應用工程師ThomasVerelst說(shuō)："在打印過(guò)程中，鈦的焊池是相當穩(wěn)定的，而且當時(shí)的激光參數對這種材料來(lái)說(shuō)是非常完善的。這些因素使3D Systems公司實(shí)現(xiàn)了所需的壁厚，僅0.25毫米。鈦也可以焊接，這是冷卻結構最終裝配的要求?！?/span>

生產(chǎn)階段

測試設計迭代和材料選擇的原型設計很快顯示，3D打印鈦能夠提供最終的冷卻條。但是，進(jìn)入生產(chǎn)階段絕非一蹴而就。隨著(zhù)3D系統(tǒng)公司的每一次迭代，Nikhef進(jìn)行了數月的測試，以確保這些部件能夠長(cháng)期防漏和耐用。制造長(cháng)而薄的部件是另一個(gè)挑戰(zhàn)。

Verelst解釋說(shuō)："我們必須以50微米的平面度實(shí)現(xiàn)一個(gè)非常長(cháng)的零件，通常會(huì )銑削這類(lèi)面孔，但在這里，這不是一個(gè)選擇，因為壁厚太薄了。打印過(guò)程本身就有一些變化，所以?shī)A住零件并進(jìn)行銑削可能會(huì )產(chǎn)生太薄的部分。泄漏方面的風(fēng)險太高了。我們必須在沒(méi)有銑削后處理步驟的情況下使平面度符合規(guī)范。"

除了平整度方面的挑戰(zhàn)，冷卻棒在功能性冷卻表面的某些區(qū)域也出現(xiàn)了收縮缺陷。Verelst解釋說(shuō)："冷卻表面的這種'臺階'對冷卻性能來(lái)說(shuō)是有問(wèn)題的，所以必須通過(guò)對抗CAD中的實(shí)際變形來(lái)消除它們。經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期后，這些臺階被消除了，線(xiàn)條幾乎看不到了。"

最終使用了一臺3D Systems DMP Flex 350直接金屬印刷機進(jìn)行生產(chǎn)。為了獲得最大的成功機會(huì )，263毫米長(cháng)的冷卻棒被垂直3D打印出來(lái)，這使得許多零件可以被裝在一個(gè)構建板上，并將對支撐結構的需求降到最低。Verelst說(shuō)，每根棒子只有兩個(gè)地方有支撐，很容易被移除。零件在3D打印后被消除了應力，并用電火花線(xiàn)切割機從構建板上取下；壓縮空氣強制通過(guò)管子清除了任何松散的粉末。

△為了避免通過(guò)其薄壁引入泄漏，3D Systems知道它無(wú)法將冷卻棒加工成公差。該公司調整了打印參數，并對變形進(jìn)行了調整，以達到所需的平整度。圖片來(lái)源：3D Systems

3D系統(tǒng)公司總共生產(chǎn)了300多根冷卻棒，這些冷卻棒已經(jīng)得到了Nikhef的驗證，目前正在大型強子對撞機上安裝。Pellegrino在一月份表示，已經(jīng)有一半的棒子被連接到了最終的冷卻系統(tǒng)。能夠將長(cháng)段的冷卻條打印成單一的組件，限制了冷卻解決方案的整體零件數和對接頭的需求，減少了泄漏的風(fēng)險。根據壓力測試，最終的3D打印冷卻條預計至少可以使用10年。

利用SciFi追蹤器的實(shí)驗定于明年2022年開(kāi)始，Pellegrino希望這個(gè)儀器將有助于揭示關(guān)于物質(zhì)和反物質(zhì)的新信息：“這是非常重要的基礎研究，因為它影響到我們思考我們的宇宙和物理學(xué)的方式。這就是我們首先設立這個(gè)實(shí)驗的原因。"

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